DE69402923T2 - Trennscharfer UV-Weitwinkelempfänger - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung hat einen Ultrastrahlungsdetektor als Gegenstand, der es erlaubt, am hellichten Tag eine Quelle auszumachen, die in dem "solar blind" genannten, von 200 bis 290 Nanometer gehenden Wellenlängenbereich emittiert, in dem die Sonnenenergie sehr stark durch die Absorption auf Grund der Ozonschicht abgeschwächt wird.
• Die Erfindung findet besonders wichtige obgleich nicht ausschließliche Anwendungen auf dem Gebiet der Sensoren, die auf Fahrzeugen und besonders auf Flugzeugen montiert werden sollen, um die Startflamme von Flugkörpern oder von Raketen nachzuweisen. Eine andere Anwendung besteht darin, umweltverschmutzende Gase nachzuweisen.
• Die meisten bis heute bestehenden Sensoren, die dazu bestimmt sind, den Abschuß eines selbst angetriebenen Flugkörpers zu melden, sind auf die Infrarotemission der Flamme empfindlich. Sie sind kostspielig und haben eine hohe Rate an Fehlalarmen. Man hat schon vorgeschlagen, sie durch Ultraviolettsensoren zu ersetzen, die einen Detektor mit einer Empfindlichkeit, die schnell oberhalb von 300 nm abnimmt, enthalten. Das Dokument EP-A-0 355 310 beschreibt mindestens für eine Anwendung am Tage zum Beispiel einen Sensor mit einem Bildwandlungsdetektor, einem Helligkeitsverstärker oder einer mit einem Filter verbundenen SIT Röhre.
• Unglücklicherweise bleibt ihre Restempfindlichkeit oberhalb dieser Grenze, die die des Absorptionsbereichs durch den Ozon ist, zu hoch, um so mehr als die Sonnenstrahlung ein Maximum oberhalb von 300 nm bei 550 nm zeigt. Damit ein solcher Sensor verwendbar wird, muß er genügend selektiv sein, damit der Beitrag der am Ausgangssignal nachzuweisenden Ultraviolettquelle größer als der Untergrund ist. Dies impliziert, den Sensor mit Filtermitteln zu verbinden, deren Durchlässigkeit oberhalb von 300 Nanometern in einem Bereich, der sich mindestens bis zum Maximum des Sonnenspektrums und des Bereichs der restlichen Empfindlichkeit des Detektors erstreckt, ungefähr 10&supmin;¹&sup0; nicht überschreitet.
• Unter den üblichen Filterungsmitteln kennt man die Interferenzfilter, deren Durchlaßband mit einer genügenden Zahl von Schichten sehr eng gemacht werden kann. Aber das Durchlaßband dieser Filter verschiebt sich, wenn der Einfall schwankt oder die Überwachung des Raums in einem sehr großen Raumwinkel um das Fahrzeug mit einer annehmbaren Zahl von Sensoren erfordert, daß jeder Sensor ein großes unter der Bedingung schwer zu verwirklichendes Sichtfeld hat, daß ein senkrechter Einfall für die Gesamtheit des einfallenden Flusses gewährleistet wird, mindestens bei schwacher Leistung, was wünschenswert ist.
• Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, einen Ultraviolettstrahlungssensor im solaren Absorptionsbereich (200 bis 290 nm) zu liefern, der einen bedeutenden Winkelbereich haben kann, mit einer Selektivität, die es erlaubt, den Start eines Flugkörpers selbst unter Bedingungen starker Sonneneinstrahlung nachzuweisen. Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung insbesondere einen Sensor vor, der einen Photovervielfacherdetektor umfaßt, der einen selektiven Respons im ultravioletten hat und eine optische Filterungsanordnung vor dem Detektor aufweist entsprechend dem Patentanspruch 1.
• Eine solche Anordnung der optischen Filterungsanordnung erlaubt es, den Anteil des optischen Spektrums oberhalb von 300 nm, der den Sensor erreicht und der sich in den Bereich der restlichen Empfindlichkeit des letzteren befindet, derart zu verringern, daß die Abschwächung verglichen zu der im Bereich 200 bis 300 nm mindestens 10&supmin;¹&sup0; ist.
• Der getönte Glasfilter hat im wesentlichen die Aufgabe, das sichtbare Spektrum, ausgehend von einer Grenzwellenlänge, die im allgemeinen ungefähr 400 nm beträgt, zu blockieren. Es verbleibt also, den Strahlungsfluß zwischen dem Rand des Absorptionsbereiches von Ozon und etwa 400 nm zu blockiren.
• Nachdem die Nichtverfügbarkeit von Komponenten gegeben ist, die auf einmal eine starke Absorption in diesem Bereich und eine ausreichende Durchlässigkeit oberhalb von 290 nm haben, enthält die optische Filterungsanordnung mindestens zwei verschiedene Elemente. Das erste besteht aus einem Kristall, der es erlaubt, die Breite des Spektralbands, das zu sperren bleibt, mit komplementären Mitteln zu reduzieren. Man kann vorteilhafterweise eine Nickelsulfathexahydratkristallschicht mit parallelen Oberflächen und einer Dicke von einigen Millimetern bis einigen 10 Millimetern verwenden. Dieser Kristall hat ein bei 395 nm zentriertes Absorptionsband und er ist im Ultravioletten durchlässig.
• Schließlich können die komplementären Mittel zur selektiven Energieabsorption zwischen 290 und 340 nm unterschiedliche Zusammensetzungen haben, je nachdem ob man der Herstellungsmöglichkeit, dem Sperrbereich, den Kosten oder der Abschwächung den Vorzug gibt.
• Eine erste Lösung besteht darin, ein Interferenzfilter zu verwenden. Aber ein solcher Filter hat ein Sperrband, das eine Funktion des Einfallswinkels der Strahlung ist. Als Folge davon kann er nur unter der Bedingung verwendet werden, daß der Einfall an jedem Punkt des Filters nahe an der Senkrechten bleibt. Dies impliziert also, den Interferenzfilter auf einer Oberfläche mit einer geeigneten Krümmung anzubringen oder den Sensor mit einer telezentrischen Optik zu versehen.
• In einer anderen, viel vorteilhafteren Ausführungsform, wenn man einen verringerten Sperrbereich sucht, kann der Komplementärfilter aus einer Schicht aus Keramikmetallmaterial bestehen, die aus einer Mischung aus Metallatomen mit einem Dielektrikum zusammengesetzt ist, wobei die Metallteilchen eine Größe haben, so daß sich die Schicht für die hier vorgesehene Anwendung als Tiefpaßfilter als Folge einer Resonanzerscheinung verhält.
• Die Erfindung wird beim Lesen der folgenden Beschreibung der besonderen Ausführungsformen, die als nicht begrenzende Beispiele gegeben werden, besser verständlich. Die Beschreibung bezieht sich auf Abbildungen, die sie begleiten, in denen:
• - die Figur 1 ein Diagramm ist, das für in einem Sensor entsprechend der Erfindung verwendbare Komponenten die Durchlässigkeit (im logarithmischen Maßstab) in Abhängigkeit der Wellenlänge wiedergibt;
• - die Figur 2 eine mögliche Anordnung der Komponenten des Sensors längs der optischen Achse zeigt, wenn die Anordnung ein Interferenzfilter und eine telezentrische Optik umfaßt;
• - die Figur 3, ähnlich wie die Figur 2, eine mögliche Anordnung zeigt, wenn die Filteranordnung eine Keramikmetallverbindung aufweist.
• Bevor verschiedene mit der Anordnung mögliche Ausführungsformen beschrieben werden, kann es nützlich sein, sich daran zu erinnern, daß die Energie des Sonnenemissionsspektrums eine Verteilung der durch die Strichpunktkurve 10 in Figur 1 gezeigten Art mit einem Maximum bei 550 nm darstellt. Aber die Absorption durch das Ozon auf einen sehr niedrigen Wert verringert die Energie, die die Erde in dem Bereich a erreicht, der von ungefähr 200 bis 290 nm geht. In diesem Bereich versucht man die Ultraviolettstrahlungsquellen nachzuweisen.
• Dafür verwendet man einen "solar blind" genannten Detektor mit einer Empfindlichkeit, die im Ultravioletten hoch ist und schnell zum sichtbaren Spektrum abnimmt mit einer Grenzwellenlänge von ungefähr 300 nm. Aber die Restempfindlichkeit oberhalb von 290 nm bleibt zu groß, um das Signal aufgrund der Sonnenemission kleiner als den Untergrund des Detektors machen zu können, derart, daß ein Filter vor dem Detektor auf dem Weg der Strahlung vorgesehen werden muß.
• Unter den verwendbaren Detektoren kann man insbesondere verschiedene im Handel erhältliche Photovervielfacher erwähnen, deren Ansprechkurve Empfindlichkeit-Wellenlänge das in der durchgezogenen Kurve 12 in Figur 1 gezeigte Verhalten hat. Dieser Photovervielfacher kann vor einem Sensor sein, der als Funktion der in Betracht gezogenen Anwendung ausgesucht wird. Dieser Sensor kann insbesondere matrixartig sein wie eine CCD Kamera.
• Es ist nicht möglich, die notwendige Absorption oberhalb von 300 nm mit einem einzigen optischen Element zu erreichen, in dem eine genügende Durchlässigkeit unterhalb von 300 nm ganz erhalten bleibt. Dagegen erlauben es die verschiedenen Kombinationen, die jetzt dargestellt werden, dieses Ergebnis zu erreichen.
• Ein erstes Filterungselement besteht aus einer Buntglasschicht mit parallelen Oberflächen, wobei der Farbstoff des Glases derart ausgesucht wird, daß eine hohe Durchlässigkeit in mindestens einem Teil des Bereichs 200 bis 300 nm gegeben ist und daß man eine Absorption hat, die darüber schnell abnimmt. Man kann insbesondere von der Gesellschaft Schott hergestellte und unter der Bezeichnung UG5 und UG11 verkaufte Gläser verwenden. Diese Gläser erlauben es, praktisch die Gesamtheit des sichtbaren Spektrums mit einem 10&supmin;¹² überschreitenden Unterdrückungsverhältnis zu unterdrücken. Die strichgepunktete Kurve 14 in der Figur 1 zeigt die Veränderung der Durchlässigkeit in Abhängigkeit von der Wellenlänge für ein solches Glas.
• Die Anordnung Detektor - Buntglasschicht erlaubt es, die Strahlung oberhalb von etwa 400 nm ausreichend zu unterdrücken. Dagegen muß noch die Strahlung zwischen dem gewünschten Grenzpunkt bei 290 nm und ungefähr 400 nm unterdrückt werden (wobei diese letzte Grenze vom gewählten Glas abhängt).
• Ein zweites optisches Element, das es erlaubt, an diesem Ergebnis mitzuwirken, kann aus einer Schicht aus einem im ultravioletten durchlässigen Kristall mit einem im Bereich 290 bis 400 nm zentrierten Absorptionsband bestehen. Man kann insbesondere einen Nickelsulfathexahydratkristall verwenden, der ein bei 395 nm zentriertes Absorptionsband hat. Die Absorptionscharakteristik eines solchen Kristalls ist von der durch die Kurve 16 in Figur 1 gezeigten Art. Schichten eines solchen Kristalls sind im Handel mit einer Dicke von 10 bis 30 mm erhältlich, die in der Quasi-Gesamtheit der Fälle ausreichen.
• Die Verbindung von dem Buntglasfilter und von NiSO&sub4; verringert beträchtlich die restliche noch zu unterdrückende Zone. Zum Beispiel erlaubt es die Verbindung einer UG5 Schicht von 8 mm und eines Kristalls praktisch vollständig oberhalb von 340 nm zu unterdrücken und liefert eine hohe Durchlässigkeit von 250 nm. Die Verbindung eines UG 11 Glases von 2 mm mit einem NiSO&sub4; Filter unterdrückt noch vollständiger in dem Bereich 400 bis 450 nm, aber verringert den Bereich hoher Durchlässigkeit auf 270 bis 340 nm.
• Es bleibt noch die im Wellenlängenbereich zwischen ungefähr 290 und 340 nm enthaltene Energie zu unterdrücken.
• Es ist bereits bekannt, daß aus alternierenden dünnen Schichten aus Metall und Dielektrikum bestehende Interferenzfilter es erlauben, Filter über jetzt gut beherrschte Techniken zu erhalten. Aber diese Interferenzfilter zeigen die Unzulänglichkeit, ein Durchlaßband zu haben, das vom Einfall abhängt. Darüber hinaus haben sie eine Selektivität, die sich in vielen Fällen als ungenügend erweist. Man kann dagegen in dem Maß, in dem das zu filternde Licht unter einem wenig schwankenden Einfall eintrifft, ein dioptrisches oder katadioptrisches Interferenzfilter aus dielektrischem Material verwenden.
• Die Notwendigkeit, einen Einfall nahe an der Normalen zu haben, führt für den Fall, daß eine Anordnung einen großen Blickwinkel haben soll, zu der Notwendigkeit, entweder den Interferenzfilter (oder die Interferenzfilter) auf einer gekrümmten Oberfläche anzubringen, was die Ausführung des Ziels erschwert, oder vor dem Filter eine telezentrische Optik anzubringen, die Einfälle nahe an der Normalen gewährleistet, wenn der Interferenzfilter nahe am Detektor ist.
• Eine vorzuziehende Lösung besteht darin, ein Filter aus Cermet (Keramik- Metall) zu verwenden, der aus einer Schicht mit einer Dicke von der Größenordnung Mikrometern aus einer Mischung von Metallatomen mit einem Dielektrikum besteht, die durch gleichzeitige Verdampfüng oder Pulverisierung erhalten wird. Solche Schichten verhalten sich für die in Betracht gezogene Anwendung als Tiefpaßfilter: es scheint, daß die Absorption auf der Anregung eines kollektiven Schwindungsmodus der in den Metallkörnern eingeschlossenen Leitungselektronen des Metalls durch das Licht beruht. Das Durchlaßband hängt von der Plasmafrequenz des Metalls, der Elektrizitätskonstanten der Matrix und dem von den Metallkörnern in der Probe besetzten Volumenanteil ab. Ein solcher Filter wird auf einem durchlässigen Substrat abgeschieden. Er ist im Bereich des "anormalen" Absorptionsbands opak und außerhalb dieses Bereichs durchlässig. Das Absorptionsband wird im wesentlichen durch eine geeignete Wahl der Größe der Körner angepaßt, die deutlich kleiner ist, als die zu absorbierende Wellenlänge. Der Metallgehalt wird immer einige Prozent niedriger sein. Ein bedeutender Vorteil eines solchen Filters ist, daß der Absorptionsbereich unempfindlich auf den Einfallswinkel auf die Schicht ist, vorausgesetzt, daß das verwirklichte Phänomen Volumen hat.
• Insbesondere ist es möglich, einen Tiefpaßfilter mit einer Abschneidewellenlänge zwischen 280 und 300 nm einer sehr starken Abschneidedynamik, ausgehend von etwa 290 nm und einer Durchlässigkeit größer als 30 % unterhalb von 250 nm zu verwirklichen, indem ein Filter mit mehreren 10 nm Dicke aus Cermet Mg-MgF2 oder aus Cermet Al-Al2O3 mit mehreren Prozent Magnesium oder Aluminium verwendet wird.
• Die Figur 2 zeigt eine erste mögliche Ausführungsform der Anordnung, indem ein Interferenzendfilter 18 verwendet wird, der das Vorhandensein einer telezentrischen Optik davor erforderlich macht. Dieser Filter kann unmittelbar vor dem Detektor 20 sein, der zum Beispiel aus einem Photovervielfacher in Verbindung mit einer CCD Kamera 22 besteht. Diese Kamera kann matrixartig sein und mit einer Steuerungs- und Signalauswerteelektronik 24 verbunden sein.
• Der optische Teil der Anordnung enthält einen Buntglasfilter 26, der im dargestellten Fall aus einer Schicht mit parallelen Oberflächen besteht, die eine Dicke der Größenordnung Zentimeter haben kann. Die Schicht 26 kann vor einem Filter 28 aus NiSO&sub4; sein. Der Filter 28 wird in Gestalt einer gekrümmten Schicht mit parallelen Oberflächen dargestellt. Er könnte gleichermaßen die Eingangslinse des telezentrischen Systems bilden, wie in Klammern angezeigt ist. Aufgrund der Tatsache, daß eine dünne Schicht für die Filterung ausreicht, wird man sich im allgemeinen darauf beschränken, eine Schicht mit parallelen Oberflächen zu verwenden. Die Oberflächen dieser Schicht können bedeckt sein, um sie gegen Feuchtigkeit zu schützen.
• Schließlich kann die telezentrische Optik 30 eine klassische Zusammensetzung haben, und mehrere durch eine Blende 32 getrennte Gruppen von Linsen enthalten. Die Verwendung einer solchen Optik erlaubt es, den Einfallsbereich auf den Interferenzfilter 18 erheblich zu verringern.
• Bei der in Fignr 3 gezeigten Ausführungsform (in der die Elemente, die denen der Fignr 2 entsprechen, mit der gleichen Bezugszahl bezeichnet sind) kann der Buntglasfilter 26 vor der ebenen Kristallschicht 28 mit parallelen Oberflächen auf einem Träger 34 aufgebracht sein. Der Cermetfilter 36 geht dem Detektor voran, der einen Photovervielfacher vor einer CCD Kamera 22 aufweist. Der Photovervielfacher kann insbesondere eine im Ultravioletten empfindliche Photokathode aus CsTe oder RbTe verwenden.
• TEXT FEHLT

Claims (9)

1 Trennscharfer UV-Empfänger für den solaren Absorptionsbereich, der einen Photovervielfacher, welcher ein selektives Ansprechen im Ultravioletten aufweist, und einen optischen Filteraufbau, der ein selektives Ansprechen im Ultravioletten aufweißt, welcher gegenüber dem Detektor angeordnet ist, umfaßt, wobei der Aufbau umfaßt:

einen Filter aus Buntglas in dem Blockierbereich der Strahlung im sichtbaren Spektralbereich,

einen Filter aus einem Kristall, der ein Intensitätsabsorptionsband von mindestens 340 nm, das sich bis mindestens 400 nm erstreckt, aufweist, und

ein Komplementärfilter zur selektiven Absorption von Energie in einem Bereich, der von mindestens 300 nm bis 340 nm geht.

2 Empfänger nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Komplementärfilter aus einer Scheibe aus keramischen Metall mit einer Dicke von 500 nm bis 5 Mikrometer, die aus einem Gemisch aus Metallteilchen, wie Aluminium, und Dielektrikumteilchen, wie Aluminiumoxid besteht, besteht, wobei die Dimensionen der metallischen Teilchen so sind, daß die Scheibe ein Blockieren über 300 nm hinaus herbeiführt.

3. Empfänger nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Metall Aluminium ist und das Dielektrikum Aluminiumoxid ist, wobei der Anteil an Aluminium einige Prozent ist.

4. Empfänger nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Metall Magnesium ist und das Dielektrikum Magnesiumfluorid ist, wobei der Anteil an Magnesium einige Prozent ist.

5 Empfänger nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Komplementärfilter aus einem Interferenzfilter besteht, der unter einem Einfall nahe der Normalen arbeitet, wobei er auf einer gekrümmten Oberfläche angeordnet ist oder von einer telezentrischen Optik vorgeschaltet wird.

6. Empfänger nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß der Filterkristall ein Kristall aus Nickelhexahydratsulfat ist, der eine Dicke zwischen 8 und 100 mm besitzt.

7. Empfänger nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß der Buntglasfilter aus einem Schwarzglasfilter besteht.

8. Empfänger nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß der Detektor aus einem Lichtverstärker, der von einer CCD- Kamera gefolgt wird, oder ein Photovervielfacher besteht.

9. Empfänger nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Buntglas- und Kristallfilter aus parallelen Vorderseiten sind oder aus Linsen bestehen.